2. Воздействие лимитирующих факторов на жизнедеятельность организмов.

Интенсивность тех или иных биологических процессов часто оказывается чувствительной к двум или большему числу факторов окружающей среды. В этом случае решающее значение будет принадлежать такому фактору, который имеется в минимальном, с точки зрения потребностей организма, количестве. Это правило было сформулировано Ю. Либихом и получило название закона минимума. Разные факторы среды могут взаимодействовать, то есть недостаток одного вещества может приводить к дефициту других веществ. Поэтому в целом закон минимума можно сформулировать следующим образом: успешное выживание живых организмов зависит от комплекса условий; ограничивающим, или лимитирующим, фактором является любое состояние среды, приближающееся или выходящее за границу устойчивости для организмов данного вида.

В природе закономерности, лежащие в основе правила минимума, определяют многие важные моменты географического распространения, морфологии, экологии и физиологии животных и растений. Во многих случаях экологические барьеры формировали в истории видов их современнее ареалы. Недостаток источников влаги жестко ограничивает возможность заселения аридных зон мало подвижными животными. Не менее эффективно минеральный состав почвы (например, засоление) может лимитировать набор видов, формирующих растительные сообщества.

Как приспособление к лимитирующим факторам в эволюции животных сформировались некоторые специфические формы поведения – такие, как солонцевание, водопойные миграции, перемещения, связанные с избежанием неблагоприятного воздействия многоснежия, и др. Да и общий характер активности нередко программируется действием лимитирующих факторов: зимняя и летняя спячка, перерыв суточной активности в жаркие часы суток и т.п.

На базе приспособления к наиболее постоянно действующим лимитирующим факторам в эволюции ряда таксонов возникли экологические конвергенции и параллелизмы, когда в разных, в том числе и неродственных группах возникают однотипные морфологические или физиологические особенности. Так, приспособление к регулярному дефициту влаги в почве создало в эволюции группу растений – суккулентов, включающую представителей разных таксонов; все они обладают сходной морфологией и физиологией. Физиологические адаптации к дефициту кислорода вызвали к жизни сходные адаптации в разных, далеко не родственных группах животных – например, однонаправленные изменения свойств гемоглобина в виде повышения его сродства к кислороду у ряда рыб, с одной стороны, и у высокогорных млекопитающих – с другой.

В эволюции крупных таксонов адаптация к лимитирующим факторам нередко определяла наиболее фундаментальные морфологии и физиологии. Так, выход позвоночных животных на сушу был невозможен без преодоления двух принципиальных лимитирующих факторов: малой плотности среды и низкой её влажности. В водной среде, плотность которой сопоставима с плотностью тела животных, организмы оказывались парящими в воде, и локомоторная система функционировала лишь для придания телу поступательного движения. В воздушной среде такой принцип локомоции оказался непригодным: благодаря малой плотности воздуха наземные животные прижаты к субстрату весом собственного тела. Эволюционно эта задача решилась путём формирования конечностей рычажного типа, способных одновременно обеспечить функцию опоры и функцию поступательного движения. Четвероногие, т.е. наземные позвоночные, таким образом, возникли как результат приспособления к малой плотности среды. Низкая влажность воздушной среды лимитировала функционирование водного типа дыхательной системы, поскольку создавала постоянную угрозу высыхания поверхности дыхательного эпителия. Приспособление к дыханию в новой среде – появление лёгких; у лёгочно-дышащих животных дыхательная поверхность не соприкасается с воздушной, связана с ней узкими воздухоносными путями и снабжена системой желёз, увлажняющих как поверхность дыхательного эпителия, так и подводимый к нему воздух. Одновременно шли эволюционные перестройки строения покровов, направленные на снижение потерь влаги через поверхность тела.

Характерно, что аналогичные по принципу, хотя и основанные на иных морфологических особенностях, приспособлениях формировались и у ряда таксонов беспозвоночных животных при освоении воздушной среды обитания.

3. Выполнить практические работы № 1 и № 2. Вариант - № 10.

Практическая работа №1.

Расчёт уровня загрязнения атмосферного воздуха точечными источниками выбросов.

Предприятие: «ЛУЧ»

1. Характеристики предприятия:

Таблица № 1.1.

№ варианта	Условное название предприятия, загрязняющее вещество	Высота трубы, м	Диаметр устья трубы, м	Температура ГВС, оС	Выброс загрязняющего вещества, г/с
10	«ЛУЧ» акролеин диоксид углерода зола оксид углерода	17	1,8	105	7,9 3,4 3,5 0,9

2. Определение максимальной концентрации вредных веществ в атмосфере:

из описания работы следует, что А= 200, F= 1, Г= 1.

ΔТ=Т_г-Т_о, где ΔТ – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего воздуха Т_о,^оС. (Т_о=24,7^оС, для Томска)

∆Т=105-24,7=80,3^оС;

V₁=0,875*D²*W_ср, где D – диаметр устья источника выбросов (трубы), м;

W_ср – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника, м/с. (W_ср=7м/сек).

V₁ – расход газовоздушной смеси (м³/с).

V₁=0,785*1,8²*7=17,804;

r=1000* W² _ср*D*H^-2*ΔТ^-1, где H – высота источника над уровнем земли, м;

r=1000*7²*1,8*17^-2*80,3^-1=3,801;

r<100;

q=0,65*(V₁* ΔТ/Н)^1/3;

q=0,65*(17,804*80,3/17)^1/3=2,848;

q>2;

m=(0,67+0,1*r^1/2+0,34*r^1/3)^-1, если r<100;

m=(0,67+0,1*3,801^1/2+0,34*3,801^1/3)^-1=0,717;

n=1, если q≥2;

С_max=А*М*F*m*n*Г*Н^-2*(V₁* ΔТ)^-1/3, где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (в Сибири А=200);

М – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m и n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси (ГВС) из источника;

Г – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (Г=1);

С_max=200*M*1*0,717*1*1*17^-2*(17,804*80,3)^-1/3=0,044*M;

C_max(зола)=0,044*3,5=0,154 мг/м³;

C_max(акролеин)=0,044*7,9=0,348 мг/м³;

C_max(СО₂)=0,044*3,4=0,1496 мг/м³;

C_max(СО)=0,044*0,9=0,0396 мг/м³;

3. Определение расстояния от источника выбросов, на котором достигается максимальная концентрация загрязняющего вещества: так как r<100, q>2, то

k=7*q^1/2*(1+0,28*r^1/3);

k=7*2,848^1/2*(1+0,28*3,8^1/3)=16,975;

определение расстояния x_max (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация загрязняющего вещества С (мг/м³) достигает максимального значения С_max (мг/м³),

x_max=0,25*(5-F)* k*Н;

x_max=0,25*(5-1)*16,975*17=288,575 м; x_max ≈ 288,6 м.

4. Определение метеорологических условий, при которых может быть достигнута максимальная концентрация загрязняющего вещества в воздухе:

так как r<100, q>2, то

U_max=q (1+0, 12*r^1/2);

U_max=2,848*(1+0,12^1/2) =3,459;

U_max ≈ 3, 5 м.

5. Определение концентрации загрязняющего вещества в атмосфере на заданном расстоянии от источника выбросов:

α=500/288,575=1,733;

при 1 < α < 8, S₁=1,13*(0,13* α²+1)^-1;

S₁=1,13*(0,13*1,733²+1)^-1=0,813;

При опасной скорости ветра U_max приземная концентрация загрязняющего вещества С в атмосферном воздухе на расстоянии х от источника выбросов:

С= S₁* С_max, где S₁ – безразмерная величина, зависящая от значения коэффициента F и отношения х/х_max, обозначено через α;

Концентрация каждого загрязняющего вещества С₅₀₀ на расстоянии 500 м от источника выбросов:

C₅₀₀(зола)=0,813*0,154=0,125 мг/м³;

C₅₀₀(акролеин)=0,813*0,348=0,283 мг/м³;

C₅₀₀(СО₂)=0,813*0,1496=0,122 мг/м³;

C₅₀₀(СО)=0,813*0,0396=0,032 мг/м³.

6. Расчет величины отношения концентрации на расстоянии 500 м от источника выбросов к ПДК_с.с. для каждого загрязняющего вещества:

Зола: C₅₀₀/ПДК_с.с.=0,125/0,5=0,3;

Акролеин: C₅₀₀/ПДК_с.с.=0,283/0,03=9,4;

Диоксид углерода: C₅₀₀/ПДК_с.с.=0,122/3,0=0,04;

Оксид углерода: C₅₀₀/ПДК_с.с.=0,032/1,0=0,03.

7. Результаты, полученные при выполнении работы:

Таблица № 1.2.

Вариант № 10. Предприятие «ЛУЧ»
Загрязняющее вещество (ПДКс.с., мг/м3)	М, г/с	Сmax, мг/м3	С500, мг/м3	С500/ПДКс.с.
Зола (0,5) Акролеин (0,03) Диоксид углерода (3,0) Оксид углерода (1,0)	7,9 3,4 3,5 0,9	0,154 0,348 0,1496 0,0396	0,125 0,283 0,122 0,032	0,3 9,4 0,04 0,03
H=17 м; D=1,8 м; T=105oC; ΔT=80,3oC; V1=17,804; r=3,8; q=2,848; m=0,717; n=1; Cmax=0,044*M; k=16,975; xmax≈288,6 м; Umax≈3,5 м/c; α=1,733; S1=0,813;

Выводы:

1.) Анализ полученных результатов показал, что на расстоянии 500 м от источника выбросов уровень загрязнения приземного слоя атмосферы предприятием «ЛУЧ» составляет по золе - 0,3 ПДК_с.с., диоксиду углерода - 0,04 ПДК_с.с., оксиду углерода - 0,03 ПДК_с.с., акролеину – 9,4 ПДК_с.с..

2.) Для улучшения экологической ситуации на прилегающей территории можно рекомендовать предприятию «ЛУЧ» выполнение технических мероприятий по улучшению работы системы газоаэрозольных выбросов, изменение технологических процессов с целью уменьшения выбросов акролеина.

Практическая работа № 2.

Расчёт предельно допустимых выбросов и минимальной высоты источника выбросов предприятия.

Предприятия: «ЛУЧ» + «СПЕКТОР»

1. На расстоянии 3000 м от действующего предприятия «ЛУЧ» планируется построить предприятие «СПЕКТОР».

2. Характеристики предприятий:

Таблица № 2.1.

№ варианта	Условное название предприятия, загрязняющее вещество	Высота трубы, м	Диаметр устья трубы, м	Температура ГВС, оС	Выброс загрязняющего вещества, г/с
10	«ЛУЧ» акролеин диоксид углерода зола оксид углерода	17	1,8	105	7,9 3,4 3,5 0,9
17	«СПЕКТР» диоксид углерода зола сажа свинец	37	1,6	114	3,9 5,7 14,0 1,8

Из характеристик предприятий следует, что каждое из предприятий выбрасывает диоксид углерода и золу.

3. Определение фоновых концентраций совпадающих загрязнителей (диоксида углерода и золы):

Расчёт фонового загрязнения за счёт выбросов предприятия «ЛУЧ» на расстоянии 3000 м:

α =3000/288,575 = 10,396, α > 8;

S₁=10,396*(3,58*10,396²+35,2*10,396+120)^-1=0,012;

C_ф (СО₂)=C₃₀₀₀(СО₂)=0,012*0,1496=0,001795 мг/м³ < ПДК_с.с.;

C_ф (зола)=C₃₀₀₀(зола)=0,012*0,154=0,001848 мг/м³< ПДК_с.с.;

Предварительный вывод: строительство предприятия «СПЕКТР» планировать можно.

4. Расчёт значения ПДВ диоксида углерода и золы для предприятия «СПЕКТР»:

C_max ≤ ПДК_с.с. – C_ф.

C_max(СО₂)=3,0 – 0,001795=2,9982 мг/м³;

C_max(зола)=0,5 – 0,001848=0,49815 мг/м³;

Определяем параметры предприятия «СПЕКТР», необходимые для следующего расчёта:

А=200; F=1; Г=1; Н=37;

ΔТ = 114 - 24,7 = 89,3^оС;

V₁=0,785*1,6²*7=14,067;

r = 1000*7²*1,6*37^-2*89,3^-1=0,641;

r<100;

q=0,65*(14,067*89,3/37)^1/3=2,105;

q>2;

n=1;

m=(0,67+0,1*0,641^1/2+0,34*0,641^1/3)^-1=1,005;

для расчёта ПДВ используется формула: ПДВ=С_max*Н²*(V₁*ΔТ)^1/3*(А*Г*F*m*n)^-1.

ПДВ (СО₂)=2,9982*37²*(14,067*89,3)^1/3*(200*1*1*1,005*1)^-1= 220,34 г/с;

ПДВ (зола)=0,49815*37²(14,067*89,3)^1/3*(200*1*1*1,005*1)^-1=36,61 г/с;

Предварительные выводы:

1. предприятие «СПЕКТР» выбрасывает в атмосферу 3,9 г/с диоксида углерода, что не превышает значение ПДВ для данного загрязнителя: М/ПДВ=3,9/220,34=0,02 и 5,7 г/с золы, что не превышает значение ПДВ для данного загрязнителя: М/ПДВ=5,7/36,61=0,16;

2. дальнейшие исследования можно прекратить, так как нет превышений ни по одному из загрязнителей.

5. Расчёт минимальной высоты трубы предприятия «СПЕКТР»:

Н_min=(ΔТ*V₁)^-1/6*[А*М*F*m*n*D*Г/(ПДК_с.с. - С_ф)]^1/2, где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы (в Сибири А=200);

V₁ – расход газовоздушной смеси (м³/с).

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m и n – коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси (ГВС) из источника;

Г – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (Г=1);

D – диаметр устья источника выбросов (трубы), м;

ΔТ – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего воздуха Т_о, ^оС.

Н_min(СО₂)=(89,3*14,067)^-1/6*(200*3,9*1*1*1,005*1,6*1/2,9982)^1/2=6,2 м;

Н_min(зола)=(89,3*14,067)^-1/6*(200*5,7*1*1*1,005*1,6*1/0,49815)^1/2=18,5 м.